限 定 資 料

高純度鉄基合金開発に関する研究 ⑵

―高純度鉄基合金材料の作成・極微量分析・特性試験―

「先行基礎工学分野に関する報告書」

（ 研 究 報 告 ）

JNC TN9400 2003－034

２００３年５月

核燃料サイクル開発機構

大 洗 工 学 セ ン ター

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c 核燃料サイクル開発機構

(Japan Nuclear Cycle Development Institute)

2003

Ⓚ

JNC TN9400 2003-034

2003 年 5 月

高純度鉄基合金開発に関する研究 (2)

―高純度鉄基合金材料の作成・極微量分析・特性試験―

「先行基礎工学分野に関する報告書」

（ 研 究 報 告 ）

安彦兼次*1、高木清一*1、

若井隆純*2、青砥紀身*2、上野文義*3、

永江勇二*4、加藤章一*5、斉藤淳一*6

要旨

将来の高速炉実用化に向けて、安全性と経済性向上のための構造材料に対す

る種々の要求を踏まえた高速炉構造の最適材料設計・実用材開発に資するため、

超高純度 Fe-Cr 合金を溶製し、それらの合金の高速炉環境下での試験（高温での

機械的特性および溶融 Na 耐食性試験等）を行った。結果、以下の成果が得られ

た；

(1)

(2)

従来の合金技術では、Fe 中 Cr 濃度が 30%以上の合金は実用不可能とされて

いたが、超高純度化することにより Fe 中 Cr 濃度が 60%に達しても、ある程

度の引張特性および長時間クリープ特性を具備できる見通しが得られた。

超高純度 Fe-Cr 合金を用いた実物大コンポーネントの試作を通じて、きわめ

て良好な製作性を確認し、実用的な構造物の製造見通しを得ることができた。

*1 客員研究員（東北大学 金属材料研究所） *2 大洗工学センター 要素技術開発部 新材料研究グループ *3 同上（日本原子力研究所 東海研究所 エネルギーシステム研究部 複合環境

材料研究グループ 派遣中） *4 本社 社内公募型研究推進室 *5 大洗工学センター 要素技術開発部 新技術開発試験グループ

*6 大洗工学センター 要素技術開発部 熱化学安全試験グループ

―i―

JNC TN9400 2003-034

M a y , 2 0 0 3

Research on Development of High-Purity Iron-Based alloys (2)

―Manufacture, analysis of small amount of elements and property tests―

(Research Document)

Kenji Abiko*1, Seiichi Takaki*1,

Takashi Wakai*2, Kazumi Aoto*2,

Fumiyoshi Ueno*3, Yuji Nagae*4,

Shoichi Kato*5 and Junichi Saito*6

Abstract

The structural material of the future Fast Breeder Reactors (FBRs) must be improved

to achieve some requirements for improvement of safety and economical

competitiveness. To prepare the desired data for the structural material development

for the future FBRs, some mechanical and chemical tests, i.e. high temperature tensile

tests and sodium corrosion tests, of the high-purity Fe-Cr alloys were conducted under

the FBR conditions. As a result, following conclusions are obtained ;

i)

ii)

By eliminating the trace elements, high Cr content iron based alloys can be

produced. It was clarified that such alloys have good tensile properties and

creep strength enough for practical use at elevated temperature.

Through the manufacturing of a full size structure using the high purity

Fe-50%Cr alloy, it was confirmed that the alloy has good manufacturability

enough for practical use.

*1 Visiting Researcher (Institute for Materials Research, Tohoku University) *2 Advanced Material Research Group(AMRG), Advanced Technology Division

(ATD), O-arai Engineering Center(OEC) *3 AMRG, ATD, OEC (Presently Research Group for Reactor Structural Materials,

Department of Nuclear Energy System, JAERI Tokai institute) *4 Innovative Research Promotion Office, Head Office

*5 New Technology Development Group, ATD, OEC

*6 Thermochemistry Safety Research Group, ATD, OEC

―ii―

JNC TN9400 2003-034

目 次

1.

2.

2.1

2.2

2.3

2.4

3.

3.1

3.2

3.3

4.

5.

6.

7.

8.

はじめに 1

超高純度 Fe-Cr 合金の引張特性 2

超高純度 Fe-50%Cr 合金の引張特性に及ぼす W の影響 2

超高純度 Fe-50/60%Cr 合金の高温引張特性に及ぼす W の影響

2

超高純度 Fe-30/35%Cr 合金の引張特性に及ぼす W の影響 3

引張特性に関するまとめ 4

超高純度 Fe-Cr 合金の長時間クリープ特性 13

超高純度 Fe-30%Cr、Fe-35%Cr および Fe-50%Cr 合金の長時間クリー

プ特性 13

超高純度 Fe-60%Cr 合金の長時間クリープ特性に及ぼす製法の影響

13

長時間クリープ特性に関するまとめ 14

超高純度鉄および超高純度 Fe-Cr 合金の耐食性 17

超高純度 Fe-Cr 合金製実物大コンポーネントの試作 23

おわりに 24

謝辞 25

参考文献 26

―iii―

JNC TN9400 2003-034

List of Tables

Table 2.1 Chemical composition of the high-purity Fe-50%Cr and Fe-50%Cr-8%W

alloys 5

Table 2.2 Chemical composition of the high-purity Fe-30Cr/35Cr alloys 5

Table 2.3 Results of tensile tests for Fe-30Cr/35Cr alloys 5

Table 3.1 Creep test conditions for the high-purity Fe-60%Cr alloys 14

Table 4.1 Corrosion test conditions 18

Table 4.2 Results of X-ray analysis of the deposit on the specimen surface 18

―iv―

JNC TN9400 2003-034

List of Figures

Fig. 2.1 Effect of test temperature on 0.2% proof stress, the degree of work

hardening and tensile strength of the high-purity Fe-50%Cr and

Fe-50%Cr-8%W alloys 6

Fig. 2.2 Optical microstructures of the high-purity Fe-50%Cr and Fe-50%Cr-8%W

alloys fractured at 500℃ 7

Fig. 2.3 Tensile strength and reduction of area of the high purity Fe-Cr-W alloys

8

Fig. 2.4 Microstructures of the fracture part of the high-purity Fe-60%Cr alloy at

1300℃ 9

Fig. 2.5 Microstructures of the fracture part of the high-purity Fe-60%Cr-4%W alloy

at 1300℃ 9

Fig. 2.6 Tensile properties dependence of the high purity Fe-60%Cr-4%W and

Fe-60%Cr alloys in the temperature range between RT and 800℃

10

Fig. 2.7 Microstructures of the high-purity (a) Fe-60%Cr-4%W and (b) Fe-60%Cr

alloys fractured at 800℃ 11

Fig. 2.8 Yield stress for Fe-Cr alloys at RT and 600℃ as a function of chromium

content compared with those of Ferritic steels 12

Fig. 3.1 Relationship between nominal stress and creep rupture time of the high-

purity Fe-30/35/50%Cr alloys and Mod.9Cr-1Mo steel 15

Fig. 3.2 Relationship between nominal stress and creep rupture time of the high-

purity Fe-60Cr alloys and Mod.9Cr-1Mo steel 16

Fig. 4.1 Experimental apparatus for corrosion test 19

Fig. 4.2 Specimens made of the high-purity Fe-50%Cr alloys before the corrosion

test 20

Fig. 4.3 Specimens made of the high-purity Fe-50%Cr alloys after the corrosion test

20

Fig. 4.4 Corrosion rate of the high-purity Fe-50%Cr alloys exposed to Na2O2-NaOH

21

―v―

JNC TN9400 2003-034

―vi―

Fig. 4.5 Corrosion rate of the high-purity Fe-50%Cr alloys exposed to Na2O-NaOH

22

Fig. 5.1 Full-sized engine blade model made of the high-purity Fe-50%Cr alloy for a

helicopter 23

JNC TN9400 2003-034

1.

(1)

(2)

はじめに

高速炉の実用化に向けて、高速炉は他の各種パワープラントに比べて一層の

安全性と経済性向上が望まれている。高速炉に使用される構造材料には高速炉

に特化された材料特性（高温強度および延性の向上、低熱膨張率）の向上が要

求される。その材料のクリープ特性、クリープ疲労特性等の耐経年変化性や溶

融 Na 中での耐食性が耐用年数に比してコストを低減できれば、その効果は安全

設備の適切化等の波及する部分も含めて大きい。一方、東北大学金属材料研究

所を中心に素材の純度を高めることで、それらの要求特性を達成できる可能性

が示されている。そこで、そうした可能性を秘めた材料の各特性、超高純度素

材成分に基づく傾向を把握し、高速炉構造の最適材料設計・実用材開発に資す

るための検討を行った。すなわち、本研究では、

超高純度鉄基合金により、高速炉特化構造材料（鉄鋼材料）の開発見通

しを得る。

目的とする構造材料の実用的な製造見通しを把握する。

ことを目的として、高速炉環境下での試験（高温での機械的特性および溶融 Na

耐食性試験等）を行い、超高純度合金の高速炉環境への適用の見込みについて

検討した。また、それらの試験の結果を基に、高速炉構造材料の主要な元素で

ある Cr をはじめ W 等の強化元素含有量や純度が強度特性に及ぼす影響につい

て検討した。

―1―

JNC TN9400 2003-034

2.

2.1

2.2

超高純度 Fe-Cr 合金の引張特性

超高純度 Fe-50%Cr 合金の引張特性に及ぼす W の影響【1】

高純度 Fe-50%Cr 合金の引張特性に及ぼす W 添加の影響を明らかにすること

を目的に、8%W 添加合金を製作して、室温～500℃における引張試験を実施し

た。Table2.1 に、引張試験に用いた超高純度 Fe-50%Cr 合金と Fe-50%Cr-8%W 合

金の化学成分を示す。

Fig.2.1 に、これらの合金の各温度における引張特性を示す。同図(a)より、い

ずれの温度においても、W 添加合金の方が 0.2%耐力、引張強さとも大きくなっ

ており、W 添加による強度向上の効果が示された。また、同図(b)より、400℃以

上の温度では W 添加合金の方が伸びが大きくなり、高温における W 添加による

延性向上の効果が示された。

これらの効果の原因を調べることを目的に、試験片破断部の断面組織を観察

した。その結果を、Fig.2.2 に示す。W 添加合金と W 無添加合金とを比較すると、

W 添加合金では双晶境界が直線的であるのに対し、W 無添加合金ではそれが波

状であることがわかる。これは、W 原子がすべり変形の抑制に寄与するためと

考えられる。

超高純度 Fe-50/60%Cr 合金の高温引張特性に及ぼす W の影響【1】

超高純度 Fe-50/60%Cr 合金およびこれらに W を添加した合金を溶製して、こ

れらに対する 500～1300℃における高温引張試験を実施し、W 添加による強度･

延性改善効果とそのメカニズムについて検討した。

Fig.2.3 に、超高純度 Fe-50･60%Cr 合金およびこれらに W を添加した合金の、

各温度における引張強さと絞りを示す。引張強さはいずれの場合も W 添加によ

って向上したが、絞りは、Fe-50%Cr 合金の場合は W5%添加合金の方が大きく、

Fe-60%Cr 合金の場合は W を無添加合金の方が大きくなった。これは Fe-50%Cr

合金には最適な W 添加量があり、Fe-60%Cr 合金には W 添加により延性改善が

見込めないことを示している。

―2―

JNC TN9400 2003-034

Fig.2.4 および Fig.2.5 に、超高純度 Fe-60%Cr 合金および Fe-60%Cr-4%W 合金

の 1300℃における引張破断試験片の断面組織を示す。W 添加合金の方が再結晶

の粒径が小さくなっており、この現象が Fe-60%Cr- 4W 合金の高温における引張

強さの向上に寄与していると考えられる。

Fig.2.6 に室温～800℃における Fe-60%Cr 合金および Fe-60%Cr-4%W 合金の引

張特性に及ぼす W 添加の影響を示す。降伏点および引張強さは、W 添加合金の

方が大きくなった。また、破断伸びおよび絞りは、600℃までは W 添加による

改善は認められないが、700℃および 800℃では明らかに改善が見られた。

Fig.2.7 に、Fe-60%Cr 合金および Fe-60%Cr-4%W 合金の 800℃における引張破

断試験片の断面組織を示す。いずれも試験片も粒界破壊したが、粒界のキャビ

ティの数は、W 無添加合金の方が多いことがわかる。これは Fe-50%Cr 合金にお

いて W 原子がすべり変形の抑制に寄与していたことと同様、W の添加により粒

界の整合性が高くなり、変形に対する追従性が高くなって粒界すべりおよび粒

界キャビティの発生が抑えられ、結果として高温での引張強度と延性が改善さ

れたと考えられる。

2.3 超高純度 Fe-30/35%Cr 合金の引張特性に及ぼす W の影響

高純度 Fe-30/35%Cr 合金の引張特性に及ぼす W 添加の影響を明らかにするこ

とを目的に、5%W 添加合金を製作して、室温および 550℃における引張試験を

実施した。Table2.2に、引張試験に用いた超高純度Fe-30%Cr合金、Fe-30%Cr-5%W

合金、Fe-35%Cr 合金および Fe-35%Cr-5%W 合金の化学成分を示す。

Table.2.3 に、これらの合金の各温度における引張特性を示す。いずれの温度

においても、Fe-30%Cr 合金の 0.2%耐力および引張強さは、Fe-35%Cr のそれら

よりも大きく、引張特性は Cr 含有量に対して負の依存性を有することが観察さ

れた。この傾向は 5%W 添加材においても同じであった。これらの事実は、高純

度 Fe-Cr 合金の降伏点は Cr 濃度と正の相関があるとする従来の知見（Fig.2.9【3】

参照）に相反するものであることから、今後さらに検討が必要である。

―3―

JNC TN9400 2003-034

また、室温・550℃ともに、W 添加合金の 0.2%耐力、引張強さは、W 無添加

合金のそれらよりも大きくなっており、W 添加による強度向上の効果が示され

たといえる。一方、破断伸びに関しては、室温・550℃ともに、両合金の間に有

意な差異はなく、W 添加による延性向上の効果を確認することはできなかった。

このことは、超高純度 Fe-50%Cr 合金では 400℃以上において W 添加による延性

向上の効果が見られたことと相反するものであることから、今後さらに検討が

必要である。

2.4 引張特性に関するまとめ

従来の合金技術では、Fe 中 Cr 濃度が 30%にもなる合金はきわめて脆く、実用

に供することは不可能とされていた。しかし、上記 2.1～2.3 の試験の結果、今

回溶製した合金のように超高純度化することにより、Fe 中 Cr 濃度が 60%に達し

ても、ある程度の引張強度および延性を具備できる見通しが得られたといえる。

―4―

JNC TN9400 2003-034

Table 2.1 Chemical composition of the high-purity Fe-50%Cr and Fe-50%Cr-8%W

alloys (Cr and W in mass%, others in mass ppm)

Table 2.2 Chemical composition of the high-purity Fe-30Cr/35Cr alloys (S,O and

N in mass ppm, others in mass%)

C Si Mn P S Ni Cr0.002 <0.001 <0.001 <0.001 <2 <0.001 30.130.002 0.002 <0.001 <0.001 <2 <0.001 35.330.003 0.002 <0.001 <0.001 3 <0.001 30.150.002 0.001 <0.001 <0.001 3 <0.001 34.81

Fe W Mo Cu Al O Nbal. - <0.001 0.001 0.069 12 13bal. - <0.001 0.001 0.077 17 <10bal. 4.95 <0.001 0.001 0.082 15 10bal. 4.94 <0.001 0.001 0.084 12 <10

Fe-35Cr-5WFe-30Cr-5W

Fe-30CrFe-35Cr

Table 2.3 Results of tensile tests for Fe-30Cr/35Cr alloys 試験温度 0.2%耐力 引張強さ 破断伸び 絞り

[ ℃ ] [ MPa ] [ MPa ] [ ％ ] [ ％ ]20 704 734 15.6 82.1

550 401 454 17.4 79.220 328 496 27.3 84.6

550 396 447 19.9 79.320 846 910 15.3 70.0

550 602 652 15.0 74.120 465 634 26.8 87.5

550 469 545 22.6 83.8

Fe-30Cr

Fe-35Cr

Fe-30Cr-5W

Fe-35Cr-5W

―5―

JNC TN9400 2003-034

Fig.2.1 Effect of test temperature on 0.2% proof stress, the degree of work hardening

and tensile strength of the high-purity Fe-50%Cr and Fe-50%Cr-8%W alloys

―6―

JNC TN9400 2003-034

(a) Fe-50%Cr alloy (b) Fe-50%Cr-8% alloy

Fig.2.2 Optical microstructures of the high-purity Fe-50%Cr and Fe-50%Cr-8%W

alloys fractured at 500℃

―7―

JNC TN9400 2003-034

(a) Yield stress (b) Reduction of area

Fig.2.3 Tensile strength and reduction of area of the high purity Fe-Cr-W alloys

―8―

JNC TN9400 2003-034

Fig.2.4 Microstructures of the fracture part of the high-purity Fe-60%Cr alloy at

1300℃

Fig.2.5 Microstructures of the fracture part of the high-purity Fe-60%Cr-4%W alloy

at 1300℃

―9―

JNC TN9400 2003-034

(a) Tensile strength and yield stress (b) Elongation and reduction of area

Fig.2.6 Tensile properties dependence of the high purity Fe-60%Cr-4%W and

Fe-60%Cr alloys in the temperature range between RT and 800℃

―10―

JNC TN9400 2003-034

Fig.2.7 Microstructures of the high-purity (a) Fe-60%Cr-4%W and (b) Fe-60%Cr

alloys fractured at 800℃

―11―

JNC TN9400 2003-034

―12―

Fig.2.8 Yield stress for Fe-Cr alloys at RT and 600℃ as a function of chromium

content compared with those of Ferritic steels

JNC TN9400 2003-034

3.

3.1

3.2

超高純度 Fe-Cr 合金の長時間クリープ特性

超高純度 Fe-30%Cr、Fe-35%Cr および Fe-50%Cr 合金の長時間クリープ

特性

超高純度 Fe-30%Cr 合金、Fe-35%Cr 合金および Fe-50%Cr 合金の 550℃におけ

る長時間クリープ試験を実施した。

Fig.3.1 に、改良 9Cr-1Mo 鋼の結果とともに、これらの合金の 550℃における

クリープ破断強度を示す。クリープ強度は、超高純度 Fe-30%Cr 合金、Fe-35%Cr

合金、Fe-50%Cr 合金の順に大きくなり、Cr 含有量の大きい合金ほどクリープ強

度が大きい結果となった。また、改良 9Cr-1Mo 鋼のクリープ強度との比較では、

超高純度 Fe-50%Cr 合金は同等またはそれ以上、超高純度 Fe-30%Cr 合金および

Fe-35%Cr 合金はやや小さい結果となった。

超高純度 Fe-60%Cr 合金の長時間クリープ特性に及ぼす製法の影響

超高純度Fe-60%Cr合金の長時間クリープ強度に及ぼす純度の影響および添加

元素の影響を調べるため、製法の異なる Fe-60%Cr 合金および Fe-60%Cr-1%Re

合金を溶製し、650℃および 700℃におけるクリープ試験を実施した。Table 3.1

に、溶製した合金の組成およびクリープ試験条件を示す。

Fig.3.2 に、これらの合金のクリープ試験結果を、改良 9Cr-1Mo 鋼のクリープ

強度平均傾向と合わせて示す。なお、改良 9Cr-1Mo 鋼の適用温度範囲は 600℃

までとなっていることから Fig.3.2 に示した平均傾向線は参考データであること

に留意されたい。Fig.3.2 より、コールドクルーシブル溶解炉で溶製した合金の

クリープ強度は、セラミックるつぼを使用した溶解炉で溶製した合金のそれよ

りも大きいことが分かる。すなわち、より純度の高い合金のクリープ強度がよ

り大きいといえる。また、これらの合金のクリープ強度を、改良 9Cr-1Mo 鋼の

それと比較すると、わずかに小さかった。

―13―

JNC TN9400 2003-034

3.3 長時間クリープ特性に関するまとめ

従来の合金技術では、Fe 中 Cr 濃度が 30%にもなる合金はきわめて脆く、実用

に供することは不可能とされていた。しかし、今回溶製した合金のように超高

純度化することにより、Fe 中 Cr 濃度が 60%に達しても、ある程度の高温長時間

強度を具備できる見通しが得られたといえる。また、このことから、このよう

なモデル合金に高温強度を改善する元素（W、Mo 等）を添加した合金を溶製し

て強度特性試験を実施することにより、これらの元素の添加効果が理解できる

とともに、既存鋼を上回る強度を有する Fe-Cr 系合金開発の見通しが得られるも

のと考えられる。

Table 3.1 Creep test conditions for the high-purity Fe-60%Cr alloys

Temperature StressT σ

(℃) (MPa)650 100.0700 60.0650 100.0700 60.0650 100.0700 60.0650 100.0700 60.0

Material

Fe-60Cr-1Re (a)

Fe-60Cr-1Re (b)

Fe-60Cr (a)

Fe-60Cr (b)

(a) Produced by using the cold crucible furnace

(b) Produced by using a melting pot made of ceramics

―14―

JNC TN9400 2003-034

―15―

100

1,000

1 10 100 1,000 10,000

Creep Rupture Time t r , h

Stre

ss σ

, M

Pa

Mod.9Cr-1Mo

Fe-30Cr

Fe-35Cr

Fe-50Cr

T=550 o C

Fig.3.1 Relationship between nominal stress and creep rupture time of the high-

purity Fe-30/35/50%Cr alloys and Mod.9Cr-1Mo steel

JNC TN9400 2003-034

―16―

10

100

1,000

10 100 1,000 10,000

Creep Rupture Time t r , h

Stre

ss σ,

M

Pa

Mod.9Cr-1MoFe-60Cr(a)Fe-60Cr(b)Fe-60Cr-1Re(a)Fe-60Cr-1Re(b)

T=650 o C

(a) at 650℃

10

100

1,000

10 100 1,000 10,000

Creep Rupture Time t r , h

Stre

ss σ,

M

Pa

Mod.9Cr-1MoFe-60Cr(a)Fe-60Cr(b)Fe-60Cr-1Re(a)Fe-60Cr-1Re(b)

T=700 o C

(b) at 700℃

Fig.3.2 Relationship between nominal stress and creep rupture time of the high-

purity Fe-60Cr alloys and Mod.9Cr-1Mo steel

JNC TN9400 2003-034

4.

4.1

超高純度鉄および超高純度 Fe-Cr 合金の耐食性

超高純度鉄および超高純度 Fe-50%Cr 合金の Na 化合物中腐食試験

超高純度鉄および超高純度 Fe-Cr 合金の高速炉構造材料への適用性を検討す

る基礎データを取得するため、高速炉に特化された冷却材の燃焼生成物である

Na 化合物（Na2O、Na2O2、NaOH）環境下における超高純度鉄、高純度鉄、市販

純鉄、超高純度 Fe-50%Cr 合金および超高純度 Fe-50%Cr-8%W 合金の耐食性試

験を実施した。Fig.4.1 に試験装置の概略図を、Table 4.1 に試験条件をそれぞれ

示す。

Fig.4.2～Fig.4.3 に試験前および試験後の試験片の外観写真を示す。また、

Fig.4.4～Fig.4.5 にこれらの材料の腐食現肉速度と温度との関係を、炭素鋼に対

する耐食性試験結果と合わせて示す。超高純度鉄および超高純度 Fe-Cr 合金の腐

食速度は、Na2O2-NaOH 環境においては炭素鋼よりも大きく、一方、Na2O-NaOH

環境においては炭素鋼と同等であった。

Table 4.2 に試験後の試薬および試験片付着物の X 線回折分析結果を示す。

Na2O2-NaOH 環境においては試験片の腐食が著しく、試験片付着物は主として

NaOH であった。一方、Na2O-NaOH 環境においては、試験片付着物は試験容器

から移行した Ni のほか、Na5FeO4 および NaOH であった。

―17―

JNC TN9400 2003-034

Table 4.1 Corrosion test conditions

*) 腐食試験に用いた試験片の種類及び記号

1) 超高純度鉄 A-Fe

2) 高純度鉄 M-Fe

3) 市販純鉄 C-Fe

4) 超高純度 Fe-50Cr Fe-50Cr

5) 超高純度 Fe-50Cr-8W Fe-50Cr-8W

Table 4.2 Results of X-ray analysis of the deposit on the specimen surface

―18―

JNC TN9400 2003-034

―19―

圧力計

熱電対ウェル

1150

φ150

φ230

試験片浸漬冶具

撹拌機

Ａｒガス

試験片

ヒ－タ

撹拌翼

試験容器

試験溶液

漏洩検知器

フランジ

(Ni)

圧力計

熱電対ウェル

1150

φ150

φ230

試験片浸漬冶具

撹拌機

Ａｒガス

試験片

ヒ－タ

撹拌翼

試験容器

試験溶液

漏洩検知器

フランジ

(Ni)

Fig.4.1 Experimental apparatus for corrosion test

JNC TN9400 2003-034

Fig.4.2 Specimens made of the high-purity Fe-50%Cr alloys before the corrosion test

(a) Exposed to Na2O-NaOH

(b) Exposed to Na2O2-NaOH

Fig.4.3 Specimens made of the high-purity Fe-50%Cr alloys after the corrosion test

―20―

JNC TN9400 2003-034

0

1

10

0.8 1.0 1.2 1

試験温度　1000/T K

腐食減肉速度　

mm

/hA-FeM-FeC-FeFe-50CrFe-50Cr-8W

Na2O2-NaOH

　　　平均線

　　　95%信頼上下限

　　　99%信頼上下限

10

1

10-1

.4

Fig.4.4 Corrosion rate of the high-purity Fe-50%Cr alloys exposed to Na2O2-NaOH

―21―

JNC TN9400 2003-034

―22―

0.5 1.0 1.5 2.0

試験温度　1000/T　K

A-FeM-FeC-FeFe-50CrFe-50Cr-8W系列1

101

100

10-1

10-2

10-3

10-4

腐食減

肉速

度　

mm

/hr

700℃

平均線95%信頼上下限

Na2O-NaOH

Fig.4.5 Corrosion rate of the high-purity Fe-50%Cr alloys exposed to Na2O-NaOH

JNC TN9400 2003-034

5. 超高純度 Fe-Cr 合金製実物大コンポーネントの試作【4】

東北大学金属材料研究所において、超高純度 Fe-50%Cr 合金を用いて実物大ヘ

リコプター用エンジンブレードの試作を行った（Fig.5.1）。Ni 基超合金等に比

べ製作性がきわめて良好であったことから、超高純度化するコストを考慮に入

れても、実用化の見込みが得られたといえる。

Fig.5.1 Full-sized engine blade model made of the high-purity Fe-50%Cr alloy for a

helicopter

―23―

JNC TN9400 2003-034

6.

(1)

(2)

(3)

おわりに

高速炉構造の最適材料設計・実用材開発に資するため、超高純度 Fe-Cr 合金を

溶製し、それらの合金の高速炉環境下での試験（高温での機械的特性および溶

融 Na 耐食性試験等）を行った。その結果、以下の結論が得られた。

従来の合金技術では、Fe 中 Cr 濃度が 30%にもなる合金は実用不可能とさ

れていたが、超高純度化することにより Fe 中 Cr 濃度が 60%に達しても、

ある程度の引張強度および延性を具備できる見通しが得られた。なお、W

添加による特性改善の効果については、さらに検討を要する。

高速炉環境下における超高純度 Fe-Cr 合金のクリープ特性に関しては、超

高純度化することにより、Fe 中 Cr 濃度が 60%に達しても、ある程度の高

温長時間強度を具備できる見通しが得られた。また、このことから、こ

のようなモデル合金に高温強度を改善する元素（W、Mo 等）を添加した

合金を溶製して強度特性試験を実施することにより、これらの元素の添

加効果が理解できるとともに、既存鋼を上回る強度を有する Fe-Cr 系合金

開発の見通しが得られるものと考えられる。

超高純度 Fe-Cr 合金を用いた実物大コンポーネントの試作を通じて、きわ

めて良好な製作性を確認し、実用的な構造物の製造見通しを得ることが

できた。

―24―

JNC TN9400 2003-034

7. 謝辞

本研究を遂行するにあたり、試験の実施にあたっては、大洗工学センター 要

素技術開発部 新技術開発試験グループ 吉田英一サブグループリーダー、小

高進氏、同グループ所属 常陽産業株式会社・川島成一氏、鈴木高一氏、矢口

勝己氏をはじめとする方々の協力をいただきました。また、試料の顕微鏡観察

等の分析作業にあたっては、同部 新材料研究グループ所属 常陽産業株式会

社・冨田正人氏の協力をいただきました。ここに記して謝意を表します。

―25―

JNC TN9400 2003-034

―26―

8. 参考文献

【1】S.Isozaki and K.Abiko, Role of Tungsten in the Mechanical Properties of a

High-Purity Fe-50mass% Cr Alloy at 293-773K, Material Transactions, JIM,

Vol.41, No.1 (2000) pp.194-196.

【2】M.Totouge, N.Harima S.Takaki and K Abiko, Effect of Tungsten on Mechanical

Properties of High-Purity 60mass% Cr-Fe Alloys, Material Transactions, JIM,

Vol.43, No.2 (2002) pp.141-146.

【3】A.Hishinuma, S.Takaki and K.Abiko, Recent Progress and Future R&D for

High-Chromium Iron-Base and Chromium-Base Alloys, Phisica Status Solidi (a),

Vol.189, No.1 pp.69-78 (2002).

【4】安彦兼次、究極の超高純度金属、日経サイエンス、2000 年 10 月号。